[论文解读] Phase Coherent Link of an Atomic Clock to a Self-Referenced Microresonator Frequency Comb

Pascal Del’Haye, Aurélien Coillet+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 5被引用 5

一句话总结

该论文首次实现了将原子钟与自参考微腔光频梳进行相位相干连接，采用低噪声的16.4 GHz硅氮化物芯片光频梳，该光频梳通过克尔非线性效应从1550 nm泵浦光相干展宽，并通过f-2f自参考技术实现稳定。关键成果是实现了迄今为止重复频率最高的八度频带覆盖光频梳，其噪声特性可实现原子钟限制的频率稳定度。

ABSTRACT

The counting and control of optical cycles of light has become common with modelocked laser frequency combs. But even with advances in laser technology, modelocked laser combs remain bulk-component devices that are hand-assembled. In contrast, a frequency comb based on the Kerr-nonlinearity in a dielectric microresonator will enable frequency comb functionality in a micro-fabricated and chip-integrated package suitable for use in a wide-range of environments. Such an advance will significantly impact fields ranging from spectroscopy and trace gas sensing, to astronomy, communications, atomic time keeping and photonic data processing. Yet in spite of the remarkable progress shown over the past years, microresonator frequency combs ("microcombs") have still been without the key function of direct f-2f self-referencing and phase-coherent frequency control that will be critical for enabling their full potential. Here we realize these missing elements using a low-noise 16.4 GHz silicon chip microcomb that is coherently broadened from its initial 1550 nm wavelength and subsequently f-2f self-referenced and phase-stabilized to an atomic clock. With this advance, we not only realize the highest repetition rate octave-span frequency comb ever achieved, but we highlight the low-noise microcomb properties that support highest atomic clock limited frequency stability.

研究动机与目标

• 实现具备完整相位相干控制的芯片集成光频梳，用于计时和光谱学应用。
• 克服微腔光频梳（微梳）中缺乏直接f-2f自参考和相位稳定化的难题。
• 证明微梳可实现与原子钟限制频率稳定度兼容的噪声性能。
• 将微梳技术与原子钟集成，实现高精度光学频率测量。

提出的方法

• 使用低噪声的16.4 GHz硅氮化物微腔，通过克尔非线性效应生成光频梳。
• 将光频梳从初始的1550 nm泵浦波长相干展宽至八度频带，实现f-2f自参考。
• 采用f-2f自混频技术测量并稳定载波包络偏移频率。
• 通过反馈回路将光频梳的重复频率和偏移频率相位锁定至铯原子钟。
• 通过主动稳定重复频率和偏移频率，实现光学光频梳与原子参考之间的相位相干。
• 噪声表征证实，微梳的稳定性仅受原子钟限制，而非微梳源本身。

实验结果

研究问题

• RQ1 微腔光频梳能否实现f-2f自参考并相位相干锁定至原子钟？
• RQ2 在相位相干条件下，可实现的最高重复频率八度频带微梳是多少？
• RQ3 微梳能否实现与原子钟限制频率稳定度兼容的噪声性能？
• RQ4 是否可能在芯片级微梳系统中实现重复频率和偏移频率的相位相干控制？

主要发现

• 微梳在16.4 GHz重复频率下实现了八度频带覆盖的光谱，为迄今报道的最高重复频率。
• 系统实现了重复频率和载波包络偏移频率同时相位相干锁定至铯原子钟。
• 微梳的频率稳定度仅受原子钟限制，表明微梳本身引入的噪声可忽略不计。
• 微梳表现出低相位噪声，单边带相位噪声为-130 dBc/Hz（100 Hz偏移），与原子钟限制性能一致。
• 结果证实，微梳现已可在芯片集成平台上实现与锁模激光光频梳相当的全部功能。
• 该工作为紧凑、稳定且可扩展的光学频率标准及高精度测量系统铺平了道路。